CN111635987B - 一种提高f型轨全断面残余应力均匀性的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，包括：将F型轨按断面不同位置分为三个冷却区域，对轧制后的F型轨三个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却。其中，开始冷却温度控制为520～600℃，第一冷却区域的冷却速率为0.2～0.7℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.8～1.3℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.4～2.0℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至60～100℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。本发明提供的方法通过合理控制轧后F型轨断面各位置的冷却强度，减小F型轨全断面的温度差，全断面残余应力波动绝对值控制在100MPa以内。

Description

一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法
技术领域
本发明涉及一种钢轨生产过程中的处理方法，具体涉及一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，属于金属材料生产及应用领域。
背景技术
中低速磁悬浮列车是目前城市轨道交通发展的重要方向，具有速度快、安全节能、绿色环保等诸多特点，我国已经建成运营2条中低速磁浮线路，随着我国城市交通的高速发展，磁浮铁路发展呈现突飞猛进的势头。
F型轨用于制造磁浮铁路的轨道和磁极，支撑和引导列车运行，其产品性能对列车运行平稳性和安全性有重要影响。F型轨形状复杂、尺寸精度要求高，制造难度大，目前主要是通过型钢轧机进行生产，轧后自然冷却，再进行精整和发货。由于F型轨断面金属量分布极不均匀，而且生产时，F型轨的两腿与辊道接触，这导致在自然冷却过程中，F型轨断面不同位置的温降速度和温度分布相差很大，使得F型轨断面的残余应力分布很不均匀，在后期使用过程中，残余应力过大会导致F型轨变形甚至断裂，需要提前更换和维护，大幅提高磁浮轨道维护成本，也对车辆安全带来较大隐患。
在轨道用钢的残余应力控制方法中，公开号为CN102284503A的中国发明专利申请提供了一种百米热轧重轨残余应力控制方法，采用万能轧制、轧后冷却，复合矫直方法，对轧后冷却过程中的百米重轨采用大弧度预弯，使重轨冷却至室温时的弦高控制在30～40mm范围内，结合矫前弯曲度的控制，有效地控制了百米重轨矫直后的轨底残余应力，残余应力值全部≤250MPa。但是该专利是对热轧重轨进行的残余应力优化，无法应用到F型轨中。
公开号为CN 106086370 A的中国发明专利申请提供了一种降低重轨残余应力的方法，对轧后重轨的踏面、轨头和轨底部位依次进行加速冷却、缓慢冷却和空冷，能够在保证重轨的拉伸性能的前提下有效降低重轨的残余应力。但是该专利的原理是使轨头金相组织发生一定程度的变化，从而降低重轨的残余应力，而且该专利只是针对轨底残余应力进行了优化，对全断面应力均匀性没有控制。
针对目前F型轨存在的全断面残余应力分布均匀性差、残余应力过大的问题，以及随之带来的行车安全隐患，亟需一种能有效提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法。
发明内容
本发明的目的在于克服目前F型轨存在的全断面残余应力分布均匀性差、残余应力过大的问题，提供一种能有效提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，该方法通过合理控制轧后F型轨断面各位置的冷却强度和温度差，使得F型轨全断面残余应力分布更加均匀，提高使用性能。
本发明是这样实现的：
一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，包括：
将F型轨按断面不同位置分为三个冷却区域，F型轨上表面以及后腿外侧表面为第一冷却区域，F型轨下表面尖端至前腿部位为第二冷却区域，F型轨下表面的前腿至后腿的部位为第三冷却区域；对轧制后的F型轨三个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却。其中，开始冷却温度控制为520～600℃，第一冷却区域的冷却速率为0.2～0.7℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.8～1.3℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.4～2.0℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至60～100℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。
更进一步的方案是：
所述的开始冷却温度控制为550～580℃，第一冷却区域的冷却速率为0.3～0.6℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.9～1.2℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.5～1.8℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至70～90℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。
更进一步的方案是：
开始冷却温度是指F型轨第一冷却区域的上表面中心部位的温度。
更进一步的方案是：
冷却区域沿纵向方向分布在整根F型轨上。
更进一步的方案是：
控制冷却速率通过采用添加不同用量的加速冷却介质来实现。
所述的加速冷却介质为本领域常用的冷却介质，包括但是不限于水、聚合物溶液、油、压缩空气、水雾或者油雾混合气。
更进一步的方案是：
所述F型轨的生产方法，还包括：转炉冶炼、LF精炼、真空处理、连铸、铸坯加热、轧制等工序。其中，铁水脱硫采用喷镁粉脱硫工艺，转炉冶炼采用顶底复吹工艺，LF炉外精炼的炉渣碱度控制在1.8～2.3范围，RH真空处理时间不低于15min，连铸过程的中包温度控制在液相线以上15～20℃，铸坯拉速为0.6～1.0m/min，连铸过程应在全程保护下进行，防止与空气接触，同时浇铸成的钢坯应进行自然堆垛冷却至室温。采用步进梁加热炉进行铸坯加热，并进行保温处理，加热温度1230～1260℃，保温时间160～210min，控制开轧温度为1060～1100℃，终轧温度820～840℃。
更进一步的方案是：
本发明的生产方法可以用于任何常规成分的F型轨，提高断面残余应力分布的均匀性，同时发明人发现，特定化学成分的F型轨能够具有相对于其他化学成分的F型轨更均匀的残余应力，并且能够更适于本生产方法。这种特定化学成分的F型轨的化学成分包括如下重量百分比的成分：0.05～0.10％的C、0.22～0.28％的Si、0.8～1.20％的Mn、0.08～0.15％的Cr、0.02～0.06％的Nb、≤0.020％的P、≤0.020％的S，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述F型轨的前腿、后腿等位置为本领域常规所指的位置，是本领域技术人员所公知的，此外，“第一冷却区域”、“第二冷却区域”和“第三冷却区域”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
利用本发明制备得到的F型轨，抗拉强度Rm为420～460MPa，延伸率A为26～30％，布氏硬度为120HBW～140HBW，全断面残余应力波动绝对值控制在100MPa以内，室温金相组织为铁素体和珠光体。
本发明提供的一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，该方法通过合理控制轧后F型轨断面各位置的冷却强度，减小F型轨全断面的温度差，在保证F型轨组织和力学性能的前提下，使得残余应力分布更加均匀，全断面残余应力波动绝对值控制在100MPa以内，提高使用性能，该生产方法简单，可操作性强，易于推广应用。
附图说明：
图1为F型轨冷却区域分布示意图；
图2为F型轨全断面残余应力测量位置图；
图3为F型轨室温金相组织。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，该方法主要包括将F型轨按断面不同位置分为三个冷却区域，如附图1所示，F型轨上表面以及后腿外侧表面为第一冷却区域，F型轨下表面尖端至前腿部位为第二冷却区域，F型轨下表面的前腿至后腿的部位为第三冷却区域。对轧制后的F型轨三个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却。其中，开始冷却温度控制为520～600℃，第一冷却区域的冷却速率为0.2～0.7℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.8～1.3℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.4～2.0℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至60～100℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。
优选地，所述的开始冷却温度控制为550～580℃，第一冷却区域的冷却速率为0.3～0.6℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.9～1.2℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.5～1.8℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至70～90℃以下时，停止加速冷却，进行矫直及精整。
本发明中，优选地，开始冷却温度是指F型轨第一冷却区域的上表面中心部位的温度。
选取上述工艺参数的原因如下：(1)对轧后F型轨进行加速冷却，开始冷却温度控制为520～600℃。加速冷却的原因是因为在自然温降过程中，F型轨各部位的金属量不均匀，温降速度不一致，上表面冷却快，下表面以及前腿后腿区域冷却慢，会造成较大的温差，会加剧残余应力分布的不均匀性，通过加速冷却，可以缩短降低至室温的时间，减小断面各部位的温差。同时开始冷却温度控制为520～600℃，是因为要确保F型轨的组织和性能，要在珠光体相变完成后再加速冷却，通过成分设计和相变动力学研究，600℃以下时，可确保F型轨已完成珠光体相变，同时开冷温度不能太低，以免加大断面温差。(2)将F型轨按断面不同位置分为三个冷却区域，同时对三个区域采用不同的冷却速度。F型轨轧制时是通过两个腿与辊道接触，其前腿及后腿部位金属量大，同时贴近辊道，第二冷却区域和第三冷却区域形成一个相对封闭的空间，温度高，同时温降慢，而第一冷却区域与大气接触，冷却速度相对较快，各部位不同的温度差异会加剧残余应力分布的不均匀性，为了减小F型轨全断面的温度差，分别根据各区域的金属量分布，对各区域采取不同的冷却速度，使得F型轨断面温度尽可能趋于一致，从而提高残余应力的均匀性。(3)待第一冷却区域的表面温度降低至60～100℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。本发明人发现，当第一冷却区域的表面温度降低至100℃以下时，F性轨断面温度基本均匀，此时较低的温度对残余应力影响较小；而后续矫直工序中，F型轨具有一定的温度，可以增大钢的塑性变形能力，能松弛在矫直过程中因为变形而引起的内部应力，因此要使F型轨矫直温度不低于60℃。
本发明中，所述加速冷却介质为本领域常用的冷却介质，包括但是不限于水、聚合物溶液、油、压缩空气、水雾或者油雾混合气，能够提供均匀冷却流场的物质均可。
本发明中，所述F型轨的生产方法，还包括：转炉冶炼、LF精炼、真空处理、连铸等工序，对上述工序没有特别的限定，按照常规的型钢生产工艺方法进行即可。采用步进梁加热炉进行铸坯加热，并进行保温处理，加热温度1230～1260℃，保温时间160～210min，控制开轧温度为1060～1100℃，终轧温度820～840℃。对加热温度和保温时间进行限定，是为了在保证铸坯完全奥氏体化、内外温度均匀的前提下，尽可能采用较低的加热温度和较少的加热时间，避免奥氏体晶粒长大造成性能下降，终轧温度控制在820～840℃范围内，能够保证在轧制过程中，钢处于奥氏体未再结晶区，单相奥氏体组织能增加钢的塑性变形能力，减少钢在轧制中的变形抗力，从而减少钢板桩中的残余应力，同时终轧温度控制较低，也缩短了从轧制后到开始加速冷却的时间，减小了F型轨的断面温差。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例1：
F型轨化学成分按重量比为：C:0.07％、Si:0.26％、Mn:0.90％、Cr：0.10％、Nb：0.05％、P:0.016％、S：0.008％，其余为Fe和杂质元素。生产方法为：按照常规的型钢冶炼和浇铸方法进行，工序包括转炉冶炼、LF精炼、真空处理、连铸。其中，铁水脱硫采用喷镁粉脱硫工艺，转炉冶炼采用顶底复吹工艺，LF炉外精炼的炉渣碱度控制在1.8～2.3，RH真空处理时间不低于15min，连铸过程的中包温度控制在液相线以上15～20℃，铸坯拉速为0.6～1.0m/min，连铸过程应在全程保护下进行，防止与空气接触，同时浇铸成的钢坯应进行自然堆垛冷却至室温。采用步进梁加热炉进行铸坯加热，并进行保温处理，加热温度1250℃，保温时间180min，控制开轧温度为1080℃，终轧温度830℃。对轧制后的F型轨三个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却。开始冷却温度控制为560℃，第一冷却区域的冷却速率为0.3℃/s；第二冷却区域的冷却速率为1.0℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.6℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至80℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整。
实施例2：
F型轨化学成分按重量比为：C:0.09％、Si:0.27％、Mn:1.15％、Cr：0.13％、Nb：0.02％、P:0.011％、S：0.010％，其余为Fe和杂质元素。生产方法按照实施例1的方法进行，所不同的是，轧制工艺以及轧后加速冷却工艺参数按照表1所示。
实施例3：
F型轨化学成分按重量比为：C:0.05％、Si:0.22％、Mn:0.85％、Cr：0.09％、Nb：0.03％、P:0.013％、S：0.009％，其余为Fe和杂质元素。生产方法按照实施例1的方法进行，所不同的是，轧制工艺以及轧后加速冷却工艺参数按照表1所示。
实施例4：
F型轨化学成分按重量比为：C:0.08％、Si:0.25％、Mn:1.0％、Cr：0.12％、Nb：0.04％、P:0.012％、S：0.008％，其余为Fe和杂质元素。生产方法按照实施例1的方法进行，所不同的是，轧制工艺以及轧后加速冷却工艺参数按照表1所示。
对比例1：
F型轨化学成分与实施例1相同，生产方法按照实施例1的方法进行，所不同的是，轧制后不加速冷却，自然冷却。
表1实施例和对比例的工艺参数
Figure BDA0002496032970000061
对实施例和对比例中所得F型轨的抗拉强度、延伸率、表面硬度、金相组织、断面残余应力等性能指标进行检验，结果见表2～表3。其中，F型轨全断面残余应力测量位置如附图2所示。
表2实施例和对比例的性能对比
Figure BDA0002496032970000062
表3实施例和对比例的残余应力对比
Figure BDA0002496032970000063
结合附图3可以看出，实施例1～4所得到的F型轨各项性能和金相组织良好，全断面残余应力波动绝对值控制在100MPa以内，与对比例1中的F型轨性能对比来看，本发明方法在保证F型轨组织和力学性能的前提下，能有效提高F型轨断面残余应力分布的均匀性。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，其特征在于包括：
将F型轨按断面不同位置分为三个冷却区域，F型轨上表面以及后腿外侧表面为第一冷却区域，F型轨下表面尖端至前腿部位为第二冷却区域，F型轨下表面的前腿至后腿的部位为第三冷却区域；对轧制后的F型轨三个冷却区域采用不同的冷却速率进行冷却；其中，开始冷却温度控制为550～580℃，第一冷却区域的冷却速率为0.3～0.6℃/s；第二冷却区域的冷却速率为0.9～1.2℃/s；第三冷却区域的冷却速率为1.5～1.8℃/s，待第一冷却区域的表面温度降低至70～90℃时，停止加速冷却，进行矫直及精整；
所述开始冷却温度是指开始冷却时F型轨第一冷却区域的上表面中心部位的温度；
冷却区域沿纵向方向分布在整根F型轨上。
2.根据权利要求1所述提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，其特征在于：
控制冷却速率通过采用添加不同用量的加速冷却介质来实现。
3.根据权利要求2所述提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，其特征在于：
所述的加速冷却介质为水、聚合物溶液、油、压缩空气、水雾或者油雾混合气。
4.根据权利要求1所述提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，其特征在于：
所述F型轨的生产方法，还包括：转炉冶炼、LF精炼、真空处理、连铸、铸坯加热、轧制工序；其中，铁水脱硫采用喷镁粉脱硫工艺，转炉冶炼采用顶底复吹工艺，LF炉外精炼的炉渣碱度控制在1.8～2.3范围，RH真空处理时间不低于15min，连铸过程的中包温度控制在液相线以上15～20℃，铸坯拉速为0.6～1.0m/min，连铸过程在全程保护下进行，防止与空气接触，同时浇铸成的钢坯进行自然堆垛冷却至室温；采用步进梁加热炉进行铸坯加热，并进行保温处理，加热温度1230～1260℃，保温时间160～210min，控制开轧温度为1060～1100℃，终轧温度820～840℃。
5.根据权利要求1所述提高F型轨全断面残余应力均匀性的生产方法，其特征在于：
所述F型轨的化学成分包括如下重量百分比的成分：0.05～0.10％的C、0.22～0.28％的Si、0.8～1.20％的Mn、0.08～0.15％的Cr、0.02～0.06％的Nb、≤0.020％的P、≤0.020％的S，其余为Fe和不可避免的杂质。
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